Copper Inhibits the Over-Oxidation of Rh during Methane Oxidation Catalyzed by Bimetallic Cation CuRh +

催化作用 化学 双金属片 甲烷厌氧氧化 离解(化学) 密度泛函理论 吸附 甲烷 无机化学 甲烷单加氧酶 异核分子 光化学 协同催化 产量(工程) 氧气 同核分子 合理设计 金属 部分氧化 多相催化 组合化学 析氧 过渡金属 反应中间体
作者
Jin-Yue Qi,Xin Dong,Lijiao Zhang,Yulin Zhao,Shun Chen,Y U E J I He,Sheng‐Gui He,Yuan Yang,Shuang-Quan Zang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (10): 10734-10743
标识
DOI:10.1021/jacs.5c20534
摘要

Partial oxidation of methane with molecular oxygen to produce hydrogen is a promising strategy for hydrogen generation. However, maintaining catalyst stability remains challenging, as the catalyst is prone to overoxidation by the strong oxidant O2 during the reaction. Herein, benefiting from state-of-the-art mass spectrometry, we demonstrate that heteronuclear metal cation CuRh+ catalyzes the reaction of methane with O2 at room temperature to yield 2H2 and CO2. Comparative studies show that even though the homonuclear Rh2+ system can construct an analogous catalytic cycle, it is more susceptible to overoxidation by O2, leading to the formation of the undesirable intermediate Rh2O3+. Cu-doping markedly enhances the antioveroxidation capability of CuRh+ to result in the generation of stable and desirable intermediate CuRhO+ under an oxygen atmosphere. Density functional theory shows that Cu plays a suppressive role during two steps of the overoxidation reaction. By reducing the electron supply from the metal site to O2, Cu hampers the initial adsorption step and compels the O-O bond dissociation to rely on orbital reorganization across a large energy gap. This finding not only provides new insights into the unique role of copper in heterogeneous catalysis but also offers a valuable guidance for the rational design of low-cost and stable catalysts for CH4-to-H2 under mild conditions.
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